(57)【要約】本発明は、積層造形製造装置のスキャナを較正する方法に関し、そこでは、ワークピースを層毎に構築するため作業平面の材料を固化するべく、エネルギービーム（１１８）がスキャナ（１０６）でもって指向される。この方法は、少なくとも１つの周期的な特徴部を備えているテストパターン（２５１）を形成するために、作業平面内のテスト表面にわたってスキャナ（１０６）でもってエネルギービーム（１１８）を指向させ、テストパターン（２５１）の画像を取り込み、画像からテストパターン（２５１）の周期的な特性を決定し、そして、周期特性に基づいてスキャナ（１０６）の制御のための補正データを決定することを備えている。
2019510658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層造形製造装置のスキャナを較正する方法であって、作業平面内の材料を層ごとに固化させてワークピースを構築するべく、エネルギービームがスキャナでもって指向され、
少なくとも１つの周期的な特徴部を備えるテストパターンを形成するために、スキャナでのエネルギービームを作業平面内のテスト面にわたって指向させること、
テストパターンの画像を取り込むこと、
画像からテストパターンの周期的特性を決定すること、および
周期的特性に基づいて、スキャナの制御のための補正データを決定すること、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
周期的特性は、基準位相に対するテストパターンの位相シフトであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
位相シフトは、画像のフーリエ解析によって決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
位相シフトは、テストパターンの画像の離散フーリエ変換を基準周波数において行い、そして、基準位相からの合成周波数成分の位相シフトを決定することによって決定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
位相シフトの値は、テストパターンの複数の異なる領域の各領域について決定されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
補正データは、スキャナの数学的モデルを、決定された位相シフトに適合させることによって決定されることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
積層造形製造装置の作業平面内に、較正アーチファクトの、基準パターンを有している基準表面を配置すること、基準パターンの画像を取り込むこと、および、テストパターンと基準パターンとの間の位相シフトを決定することを備えていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
基準パターンの画像は、テストパターンの画像を取り込むために使用されるのと同じ画像取り込み装置を使用して取り込まれることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
画像取り込み装置は、テストパターンおよび基準パターンの画像の取り込みのために、積層造形製造装置内の同じ場所に配置されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
基準表面は、テストパターンが形成される表面と同じ積層造形製造装置内の位置に配置されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
離散フーリエ変換について最大の振幅をもたらす基本正弦曲線の位置を識別するべく、基準パターンの画像に対して空間的にシフトされた離散フーリエ変換のために使用される基本正弦曲線を用いて、基準周波数での基準パターンの画像の複数の離散フーリエ変換を実行すること、および、画像に対して識別された位置で基本正弦曲線を使用して、テストパターンの画像の離散フーリエ変換を実行すること、を備えることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
テストパターンは、第１の方向に反復される第１の幾何学的特徴部を備える第１のパターンと、第１の方向に直交する第２の方向に反復される第２の幾何学的特徴部を備える第２のパターンとを備えることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
第１および第２の幾何学的特徴部は同じであるが、しかし、対応する第１および第２の方向に回転されて整列されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第１および第２の方向のそれぞれは、エネルギービームがスキャナの異なるステアリング要素によって移動される空間方向に対応していることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第１のパターンおよび第２のパターンは、各パターンの幾何学的特徴部の間で重なり合わずに点在されていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
テストパターンは、一連の平行なラインを備えていることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
テストパターンの繰り返される幾何学的特徴部は、基準パターンの幾何学的特徴部の規則的な空間間隔と相関し、そして、位相シフトは、テストパターンの繰り返される幾何学的特徴部の位相を、基準パターンの対応する繰り返される幾何学的特徴部の位相と比較することによって決定されることを特徴とする請求項７または請求項７に従属した場合の請求項８ないし請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
周期的特性は、画像内のテストパターンの複数の領域のそれぞれにわたって合計された強度を備え、各領域はテストパターンの少なくとも１つの期間を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
作業平面に対するエネルギービームの異なる焦点位置でもってテストパターンの異なる周期的な特徴部を形成することを備え、そこで、周期的な特性は、異なる焦点位置のうちの１つにおいてエネルギービームでもって形成されたテストパターンの各領域について決定され、そして、当該周期的特性に基づいてスキャナの合焦光学系を較正するための補正データを決定することを備えることを特徴とする請求項１または請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
テストパターンは、繰り返し発生する幾何学的特徴部を備え、幾何学的特徴部の各々の発生は、作業平面に対して異なる焦点位置でのエネルギービームによって形成されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
作業平面内の材料を層ごとに固化させてワークピースを構築するべく、エネルギービームがスキャナでもって指向且つ合焦される、積層造形製造装置のスキャナを較正する方法であって、
表面上に幾何学的特徴部を形成するべくエネルギービームを作業平面におけるテスト表面にわたってスキャナで指向させること、ここで、作業平面に対するエネルギービームの焦点位置は、異なる幾何学的特徴部の形成のために変更され、
幾何学的特徴部の画像を取得すること、
エネルギービームの異なる焦点位置で形成された各領域の単位面積当たりの強度を決定すること、および
スキャナの焦点位置の補正制御のための補正データを、単位面積当たりの強度の変化から決定すること、を備えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
積層造形製造装置を制御するためのコントローラであって、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されていることを特徴とするコントローラ。
【請求項２３】
ワークピースを層ごとに構築するための積層造形製造装置であって、作業平面内の材料を固化させるべくエネルギービームを指向させるスキャナ、および請求項２２に記載のコントローラを備えていることを特徴とする積層造形製造装置。
【請求項２４】
作業平面の画像を取り込むための画像取り込み装置を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の積層造形製造装置。
【請求項２５】
画像取り込み装置は、カメラからなることを特徴とする請求項２４に記載の積層造形製造装置。
【請求項２６】
カメラは、積層造形製造装置内において、作業平面に基準表面を配置するために使用される基準に対して固定された位置に配置されることを特徴とする請求項２５に記載の積層造形製造装置。
【請求項２７】
作業平面内に材料層を形成するために基準に対して位置決めされるべく配置されたワイパーを備えていることを特徴とする請求項２６に記載の積層造形製造装置。
【請求項２８】
データキャリアであって、積層造形製造装置を制御するコントローラによって実行されるとき、コントローラが請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を実行するのを起こさせる命令を有することを特徴とするデータキャリア。
【請求項２９】
積層造形製造装置の作業平面にプレートを取り付けるための固定具であって、プレートを支持するための取り付け表面と、取り付け表面を作業平面に直交する方向において反復可能な位置に配置するべく表面に接触する３点取り付け構成とを備えていることを特徴とする固定具。
【請求項３０】
取り付け表面は、基準パターンを備えている較正プレートとエネルギービームを使用してテストパターンでマークされるプレートとを、支持するためのものであることを特徴とする請求項２９に記載の固定具。
【請求項３１】
ワークピースがエネルギービームを用いて層ごとに材料を固化させることによって構築される、ワークピースの積層造形製造を行う方法であって、
積層造形製造装置の作業平面に母材を配置すること、
母材にしるしを形成するべく母材の上方でエネルギービームを走査させること、
母材に特徴部を形成するべく母材を機械加工すること、を備え、そこで、特徴部が機械加工される配置は、しるしの配置に基づいており、そして、
特徴部を機械加工した後に、エネルギービームを用いて材料を層状に固化させることによって、母材にさらなる特徴部を構築すること、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項３２】
しるしは、パターンを備え、方法は、パターンの画像を取り込むこと、画像からパターンの周期的な特性を決定すること、そして、周期的な特性に基づいて特徴部の配置を決定することによって、特徴部を形成するための配置を決定することを備えることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
周期的な特性は、パターンの位相であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
特徴部を形成するために使用される工作機械の座標系、および/または、決定された位相に基づく特徴部の形成において工作機械を指示する命令を、調整することを備えることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形製造装置のスキャナの較正方法及びその方法を実施するための積層造形製造装置に関する。特に、排他的ではないが、本発明は、材料ベッド（例えば、粉末または樹脂のベッド）を含む積層造形製造装置のスキャナを較正する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部品を製造するための積層造形製造法または急速試作品作成法は、材料の層ごとの固化を備えている。種々の積層造形製造法が存し、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、電子ビーム溶融（ｅＢｅａｍ）およびステレオリソグラフィーのような粉末ベッドシステム、および、ワイヤアーク積層造形製造（ＷＡＡＭ）を含む溶融堆積モデリングのような、非粉末ベッドシステムを含んでいる。
【０００３】
選択的レーザー溶融では、構築チャンバの粉末ベッド上に粉末層が堆積され、そして構築されるワークピースの断面（スライス）に対応する粉末層の部分にわたって、レーザービームが走査される。レーザービームは、粉末を溶融または焼結して固化層を形成する。層を選択的に固化させた後、粉末ベッドは、新たに固化される層の厚さだけ下降され、必要に応じてさらなる粉末層が表面上に広げられて固化される。
【０００４】
ワークピースを正確に形成するためには、スキャナが較正されねばならない。
【０００５】
特許文献１（Ｗ０９４／１５２６５）は、多数の正方形セルが印刷されたマイラーシート（Ｍｙｌａｒ  ｓｈｅｅｔ）をターゲット表面上に配置し、レーザービームで各セルにマーキングすることを開示している。次いで、シートは、従来のデジタルスキャナで走査することによってデジタル形式に変換され、そして、セルの重心に対するレーザマークの位置が、そのセルに対する補正係数を更新するために使用される。このような較正は定期的に行われる。
【０００６】
特許文献２（ＵＳ５８３２４１５）は、急速試作品作成システム用のレーザービーム偏向制御を較正する方法を開示している。感光性媒体が、テストパターンを生成するために、所定の位置でレーザービームに露光される。ビデオカメラが、カメラでもってテストパターンの対応するパターンの部分を生成するように、生成されたテストパターンに亘って漸進的に移動される。評価プログラムが、デジタル化されたパターン部分を全体的なパターンに合成するために使用されている。全体的なパターンの画像座標が、写真製版的に生成された基準パターンのデジタル化された座標と比較される。この比較に基づいて、レーザービームを偏向させるスキャナの制御に必要な補正テーブルが変更される。
【０００７】
特許文献３（米国特許第６４８３５９６号明細書）には、急速試作品作成システムにおける放射装置の制御を較正するための方法が開示されており、較正プレートが、急速試作品作成システム内の規定された位置に配置されている。較正プレートは、第１の領域と、第１の領域とは別個の第２の領域とを有する上側部を有している。第１の領域には、光学的に検出可能な基準十文字が設けられ、第２の領域は、放射装置の放射に感応する媒体を有している。十文字のテストパターンは、位置座標データによって規定される所定の所望の位置で、放射ラインに媒体を曝すことによって生成される。第１および第２の領域は、例えば、画素スキャナ、ビデオカメラまたはデジタルカメラによってデジタル化され、そして補正データが、基準十文字とテストパターンの十文字とを比較することによって計算される。
【０００８】
特許文献４（ＥＰ２１８６６２５）は、急速試作品作成システムで使用されるデジタル光プロジェクタの幾何学的歪みを補正する方法を開示している。カメラが、各デジタル光プロジェクタによって作成された、補正されていないテストパターンを見るために使用されている。補正されていないテストパターンの各々は、パターン補正マップを生成するべく、理想的なテストパターンと比較される。
【０００９】
特許文献５（ＷＯ２０１４／１８０９７１）は、３次元ワークピースの生成的な産出のため、第１および第２のスキャナを備える装置の自動較正方法を開示している。施された材料すなわちターゲット上に、第１のスキャナを使用して第１のテストパターンが生成され、そして、第２のスキャナを用いて第２のテストパターンが生成される。第１および第２のテストパターンは、特定の格子定数またはドットパターンを有する特定の格子パターンであってもよい。較正されたカメラが、第１および第２のテストパターンの画像を取り込み、そして、第１および第２のテストパターンを制御装置のメモリに記憶されている基準パターンと比較するために、使用される。第１および第２のスキャナは、対応するテストパターンの基準パターンからの偏差が所望の値を下回るように較正される。較正方法は、自己相関（ａｕｔｏ−ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）法または整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）法からなってもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第９４／１５２６５号
【特許文献２】米国特許第５８３２４１５号明細書
【特許文献３】米国特許第６４８３５９６号明細書
【特許文献４】欧州特許出願第２１８６６２５号
【特許文献５】国際公開第２０１４／１８０９７１号
【特許文献６】米国特許第７２６１５５０号明細書
【特許文献７】国際公開第２０１０／００７３９６号
【特許文献８】国際公開第２０１５／０９２４４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
積層造形製造装置のスキャナを、較正のために使用される画像取り込み装置の画素によって提供される空間解像度よりも、一桁高い精度で較正する方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、積層造形製造装置のスキャナを較正する方法が提供され、そこでは、作業平面内の材料を層ごとに固化させてワークピースを構築するべく、エネルギービームがスキャナでもって指向され、当該方法は、少なくとも１つの周期的な特徴部を備えるテストパターンを形成するために、スキャナでのエネルギービームを作業平面内のテスト面にわたって指向させること、テストパターンの画像を取り込むこと、画像から、テストパターンの周期的特性を決定すること、および周期的特性に基づいて、スキャナの制御のための補正データを決定することを備えている。
【００１３】
テストパターンの周期的特性に基づいて補正を行うことにより、より正確な補正データを決定することができる。特に、周期的特性は、テストパターンの幾何学的特徴部の位置よりもより正確に決定され得る。というのも、周期的特性は、幾何学的特徴部のうちの単一のものの分解能に依存するのではなく、むしろ幾何学的特徴部の複数のものから決定される情報（例えば、幾何学的特徴部の複数のものにわたって平均される情報）に基づいているからである。
【００１４】
周期的特性は、基準位相に対するテストパターンの位相シフトであってもよい。テストパターンの位相は、テストパターンを形成するときのエネルギービームの位置の誤差のしるしであり、そして、補正データは、スキャナによるエネルギービームの位置決めを補正するために、位相シフトから決定される。
【００１５】
パターンの位相シフトは、パターンの幾何学的要素の１つの位置よりも高い精度で、画像から決定されることができる。したがって、決定された位相シフトに基づいて補正データを定めることは、補正データの精度が向上させられる。さらに、従来技術の方法と比較して、カメラのような低解像度の撮像装置を使用しても、補正データに対して、同じまたはより良い精度を達成させることができる。
【００１６】
位相シフトは、画像のフーリエ解析によって決定されてもよい。位相シフトは、基準周波数においてテストパターンの画像の離散フーリエ変換を行い、そして、基準位相からの合成周波数成分の位相シフトを決定することによって決定されてもよい。位相シフトの値は、テストパターンの複数の異なる領域の各領域について決定されてもよい。補正データは、スキャナの数学的モデルを決定された位相シフトに適合させることによって、決定されてもよい。各領域は、１平方センチメートル未満であってもよい。
【００１７】
この方法は、積層造形製造装置の作業平面内に、較正アーチファクトの、基準パターンを有している基準表面を配置すること、基準パターンの画像を取り込むこと、および、テストパターンと基準パターンとの間の位相シフトを決定すること、を備えてもよい。基準パターンの画像は、テストパターンの画像を取り込むために使用されるのと同じ画像取り込み装置を使用して取り込まれてもよい。画像取り込み装置は、テストパターンおよび基準パターンの画像の取り込みのために、積層造形製造装置内の同じ場所に配置されてもよい。基準表面は、テストパターンが形成される表面と同じ積層造形製造装置内の位置に配置されてもよい。このようにして、画像取り込み装置によって導入されるテストパターンの繰返し可能な歪みが、対応する方法において歪まされた基準パターンとの比較によって排除され得、すなわち、画像取り込み装置は、較正された測定装置というよりむしろ比較器として用いられる。
【００１８】
この方法は、離散フーリエ変換について最高（大）の振幅をもたらす基準正弦曲線の位置を識別するべく、基準パターンの画像に対して空間的にシフトされた離散フーリエ変換のために使用される基本正弦曲線を用いて、基準周波数での基準パターンの画像の複数の離散フーリエ変換を実行することを備えていてもよい。これは、基本正弦曲線を、画像内の基準パターンの位置に整列させてもよい。この方法は、画像に対して識別された位置で基本正弦曲線を使用して、テストパターンの画像の離散フーリエ変換を実行することをさらに備えてもよい。
【００１９】
テストパターンは、第１の方向に反復される第１の幾何学的特徴部を備える第１のパターンと、第１の方向に直交する第２の方向に反復される第２の幾何学的特徴部を備える第２のパターンとを備えていてもよい。第１および第２の幾何学的特徴部は、同じ（しかし、対応する第１および第２の方向に回転されている）か、または異なっていてもよい。第１および第２の方向のそれぞれは、エネルギービームがスキャナの異なるステアリング要素によって移動される空間方向に、対応していてもよい。第１のパターンおよび第２のパターンは、各々のパターンの幾何学的特徴部の間で重なり合うことなく、点在されていてもよい。
【００２０】
テストパターンは、一連の平行なラインを備えていてもよい。テストパターンは、第１の方向に繰り返す少なくとも１つの第１の組の平行なラインと、第２の方向に繰り返す少なくとも１つの第２の組の平行なラインとを備えていてもよい。平行なラインの第１の組は、第１の方向と第２の方向の両方において、テスト表面にわたって第２の組の平行なラインと交互に配置されてもよい。
【００２１】
テストパターンの繰り返される幾何学的特徴部は、基準パターンの幾何学的特徴部の規則的な空間間隔と相関し、そして、位相シフトは、テストパターンの繰り返される幾何学的特徴部の位相を、基準パターンの対応する繰り返される幾何学的特徴部の位相と比較することによって決定されてもよい。
【００２２】
周期的特性は、画像内のテストパターンの複数の領域のそれぞれにわたって合計された強度を備えてもよく、各領域はテストパターンの少なくとも１つの期間を備えている。この方法は、作業平面に対するエネルギービームの異なる焦点位置で、テストパターンの異なる周期的な特徴部を形成することを備えてもよい。合計された強度のような周期的な特性は、異なる焦点位置のうちの１つで、エネルギービームでもって形成されたテストパターンの各領域について決定されてもよく、そしてスキャナの合焦光学系は、異なる領域について合計された強度の変化に基づいて較正されてもよい。
【００２３】
テストパターンは、繰り返し発生する幾何学的特徴部を備えてもよく、幾何学的特徴部の各々の発生は、作業平面に対して異なる焦点位置でのエネルギービームによって形成される。
【００２４】
本発明の第２の態様によれば、積層造形製造装置のスキャナを較正する方法が提供され、ここでは、作業平面内の材料を層ごとに固化させてワークピースを構築するべく、エネルギービームがスキャナでもって指向且つ合焦され、この方法は、表面上に幾何学的特徴部を形成するべくエネルギービームを作業平面におけるテスト表面にわたってスキャナで指向させること、ここで、作業平面に対するエネルギービームの焦点位置は、異なる幾何学的特徴部の形成のために変更され、幾何学的特徴部の画像を取得すること、エネルギービームの異なる焦点位置で形成された各領域の単位面積当たりの強度を決定すること、およびスキャナの焦点位置の補正制御のための補正データを、単位面積当たりの強度の変化から決定すること、を備える。
【００２５】
幾何学的特徴部は、エネルギービームまたはエネルギービームで固化された材料によって表面に形成されたマークであってもよい。
【００２６】
本発明の第３の態様によれば、積層造形製造装置を制御するためのコントローラが提供され、コントローラは、本発明の第１または第２の態様の方法を実行するように構成されている。
【００２７】
本発明の第４の態様によれば、ワークピースを層ごとに構築するための積層造形製造装置が提供され、この装置は、作業平面内の材料を固化させるべくエネルギービームを指向させるスキャナ、および本発明の第３の態様によるコントローラを備えている。
【００２８】
積層造形製造装置は、作業平面の画像を取り込むための画像取り込み装置をさらに備えていてもよい。画像取り込み装置は、カメラからなってもよい。カメラは、積層造形製造装置内において、作業平面に基準表面を配置するために使用される基準に対して固定された位置に配置されてもよい。装置は、作業平面内に材料層を形成するために基準に対して位置決めされるべく配置されたワイパーを備えていてもよい。
【００２９】
本発明の第５の態様によれば、積層造形製造装置を制御するコントローラによって実行されるとき、コントローラが本発明の第１または第２の態様の方法を実行するのを起こさせる命令を有するデータキャリアが提供される。
【００３０】
データキャリアは、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ  ／  ＲＡＭ（−Ｒ  ／  −ＲＷおよび＋  Ｒ  ／  ＋  ＲＷを含む）ＨＤ  ＤＶＤ、ブルーレイ（登録商標）ディスク、メモリ（メモリースティック（登録商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュカードなど）ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁石／光記憶装置の非過渡データキャリア、または、ワイヤまたは光ファイバまたは無線信号上の信号、例えば、有線または無線ネットワークを介して送信される信号（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）の過渡データキャリアのような命令を、機械に提供するのに適した媒体であってもよい。
【００３１】
本発明の第６の態様によれば、積層造形製造装置の作業平面にプレートを取り付けるための固定具が提供され、固定具は、プレートを支持するための取り付け表面と、取り付け表面を作業平面に直交する方向において反復可能な位置に配置するべく表面に接触する３点取り付け構成とを備えている。
【００３２】
取り付け表面は、基準パターンを備えている較正プレートと、エネルギービームを用いてテストパターンでマークされるプレートとを支持するためのものであってもよい。固定具は、較正プレートの基準パターンおよびテストパターンでマークされるプレートが、同一平面内に整列されることを保証するための補助を提供することができる。これにより、上記の較正方法においては、基準パターンとテストパターンの画像の差違が生じないことを保証する。何故なら、パターンは積層造形製造装置内の異なる位置に配置されているからである。
【００３３】
本発明の第７の態様によれば、エネルギービームを用いて層ごとに材料を固化させることによってワークピースが構築される、ワークピースの積層造形製造を行う方法が提供され、この方法は、積層造形製造装置の作業平面に母材（ｐｒｅｆｏｒｍ）を配置すること、母材にしるし（ｉｎｄｉｃｉａ）を形成するべく母材上でエネルギービームを走査すること、母材に特徴部を形成するべく母材を機械加工すること、を備え、特徴部が機械加工される配置は、しるしの配置に基づき、そして、特徴部を機械加工した後に、エネルギービームを用いて材料を層状に固化させることによって母材にさらなる特徴部を構築することを備える。
【００３４】
エネルギービームでもって母材にマーキングすることにより、母材に対するエネルギービームの座標系の位置が決定され得て、したがって、特徴部が、エネルギービームの座標系の位置のものと一致する配置で母材に機械加工され得る。したがって、機械加工された特徴部は、その後に積層造形的に構築されるさらなる特徴部に対して正確に配置される。このような方法は、冷却チャンネルが予め成形されたベースプレートと、ベースプレートに予め成形された冷却チャンネルと流体連通するように配列された等角な冷却チャンネルを有する積層造形構築部分とを備えるハイブリッドモールドの製造に使用されてもよい。このようなハイブリッドモールドは、特許文献６（ＵＳ７２６１５５０）に記載されている。
【００３５】
しるしは、パターンを備えることができ、該方法は、パターンの画像を取り込むこと、画像からパターンの周期的な特性を決定すること、そして、周期的な特性に基づいて特徴部の配置を決定することによって、特徴部を形成するための配置を決定することを備えている。周期的な特性は、パターンの位相であってもよい。この方法は、特徴部を形成するために使用される工作機械の座標系、および／または、決定された位相に基づく特徴部の形成において工作機械を指示する命令、を調整することを備えていてもよい。
【００３６】
本発明の第８の態様によれば、ワークピースの積層造形製造を行う方法が提供され、そこでは、ワークピースがエネルギービームを用いて層ごとに材料を固化することによって構築され、この方法は、母材上のしるしに対する既知の配置に特徴部を形成するべく母材を機械加工し、そして、特徴部を機械加工した後、積層造形製造装置を使用して、エネルギービームを用いて材料を層状に固化させることによって、母材にさらなる特徴部を構築することを備えており、さらなる特徴部が形成される位置は、母材上のしるしの位置に基づいている。
【００３７】
この方法は、積層造形製造装置の作業平面内に母材を配置し、そして、母材にしるしを形成するべく、母材に亘ってエネルギービームを走査することによってしるしを形成することを備えてもよい。このようにして、しるしの位置は、積層造形製造装置の座標系によって設定される。
【００３８】
代替的に、この方法は、さらなる特徴部に対するしるしの相対的な位置が知られ、そして、母材が積層造形製造装置に配置され、そして、センサを用いて検出されるしるしの位置に基づいてさらなる特徴部を形成すべく材料を固化させるとき、さらなる特徴部を形成することが、センサでもってしるしの位置を検出することをさらに備えるように、工作機械のような別の機械を使用して、しるしを母材に形成することを備えていてもよい。
【００３９】
しるしは、パターンからなってもよく、この方法は、パターンの画像を取り込み、画像からパターンの周期的な特性を決定し、そして周期的な特性に基づいて特徴部の位置を決定することによって、特徴部を形成すべく、位置を決定することを備えている。周期的な特性は、パターンの位相であってもよい。この方法は、特徴部を形成するために使用される工作機械の座標系、および／または、決定された位相に基づいての特徴部の形成において、工作機械に指示する命令を調整することを備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による積層造形製造装置を示している。
【図２】図２は、スキャナのステアリング光学系を較正するための、本発明の一実施形態によるテストパターンの平面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による積層造形製造装置のスキャナのステアリング光学系を較正する方法を概略的に示す図である。
【図４】図４は、テストパターンの画像における典型的な画素強度の概略図である。
【図５】図５は、スキャナの集束光学系を較正するためにプレート上に形成されたテストパターンの平面図である。
【図６】図６は、図５に示されたテストパターンの画像から生成された強度グラフの概略図である。
【図７】図７は、積層造形製造装置において較正アーチファクトおよびテストプレートを取り付けるための固定具を下方から示す斜視図である。
【図８】図８は、上方からの固定具の斜視図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態によるハイブリッドワークピースを形成する方法を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１を参照するに、本発明の一実施形態による積層造形製造装置は、構築チャンバ１１７を画定する仕切り１１５、１１６を内部に有するメインチャンバ１０１を備えている。構築プラットフォーム１０２が、構築チャンバ１１７内で下降可能である。構築プラットフォーム１０２は、ワークピース１０３が粉末の選択的レーザー溶融によって構築されるとき、粉末ベッド１０４およびワークピース１０３を支持する。構築プラットフォーム１０２は、ワークピース１０３の一連の層が形成されるにつれ、モーターの制御下で、構築チャンバ１１７内で降下される。
【００４２】
粉末１０４の層は、ワークピース１０３が分配装置１０８およびワイパー１０９によって構築されるときに形成される。例えば、分配装置１０８は、特許文献７（ＷＯ２０１０  ／  ００７３９６）に記載されているような装置であってもよい。分配装置１０８は、仕切り１１５によって画定された上側の表面１１５ａに粉末を供給し、ワイパー１０９によって粉末ベッドにわたって広げられる。ワイパー１０９の下縁部の位置は、粉末が固化される作業平面１１０を画定し、そして調整可能である。
【００４３】
レーザーモジュール１０５は、粉末１０４を溶融させるためのレーザービーム１１８を発生し、レーザービーム１１８は、この実施形態では光学モジュール１０６である対応するスキャナによって、必要とされるように指向される。光学モジュールは、レーザービーム１１８を作業平面にわたって直交方向に操縦する、ガルバノメータに取り付けられた２つのミラーなどのステアリング光学系１０６ａ、およびレーザービーム１１８の焦点を変える２つの可動レンズなどの焦点合わせ光学系１０６ｂを備えている。スキャナは、レーザービーム１１８の焦点位置が、レーザービーム１１８が作業平面にわたって移動されるときと同じ平面に留まるように制御される。動的集束素子を使用して平面内にレーザービームの焦点位置を維持するのよりもむしろ、ｆ‐θレンズが使用されてもよい。
【００４４】
カメラ１９１が、作業平面の画像を取り込むために、メインチャンバ１０１内に配置されている。
【００４５】
プロセッサ１６１およびメモリ１６２を備えているコントローラ１４０が、積層造形製造装置のモジュール、すなわち、レーザーモジュール１０５、光学モジュール１０６、構築プラットフォーム１０２、分配装置１０８、ワイパー１０９、およびカメラ１９１と通信する。コントローラ１４０は、下記に述べられるように、メモリ１６２に記憶されたソフトウェアに基づいてモジュールを制御する。
【００４６】
図２ないし図４を参照するに、スキャナ１０６を較正するために、ユーザは、基準パターン３５１が作業平面１１０に配置されるように、基準パターン３５１を備えている較正アーチファクト３５０を、積層造形製造装置に置く（３０１）。基準パターン３５１は、図７および図８を参照して、下に説明される固定具４００を使用して、積層造形製造装置内に配置されてもよい。基準パターン３５１は、図２に示されているテストパターン２５１と同じであり、複数の領域２０３ａおよび２０３ｂが、一連の、等間隔で平行なラインを備えている。領域２０３ａは、ｘ方向に離間された複数の平行なラインを備え、領域２０３ｂは、ｙ方向に離間された複数の平行なラインを備えている。領域２０３ａは、領域２０３ｂとｘ方向およびｙ方向の両方で代替する。
【００４７】
平行なラインの周期は、カメラ１９１のナイキスト周波数によって与えられる周期に近く、すなわち、周期は、作業平面におけるカメラ１９１の画素の空間解像度の４倍に近い。図４は、画素１〜９の強度が、パターン３５１、２５１の領域２０３ａ、２０３ｂの一部の画像においてどのように変化し得るかを示している。図４から分かるように、そのような画像からの個々のラインの位置の決定は、画像の空間解像度のオーダーである。
【００４８】
基準パターン３５１は、必要な精度、この実施形態ではミクロン以下の精度で、パターンを印刷することができる適切な技術を用いてシート上に印刷することができる。
【００４９】
作業平面における基準パターン３５１の画像３０２は、カメラ１９１を用いて取り込まれる（３０３）。
【００５０】
基準パターン３５１の平行なラインの既知の基準周波数ｋrefにおいて、一連の離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が決定され（３０４）、それぞれは異なる位置にシフトされる基本の正弦曲線を用いている。この実施形態では、ＤＦＴは、基準パターン３５１の画像３０２にデジタル的に生成された正弦および余弦の表現を乗算することによって実行される。正弦及び余弦の表現は、ゼロでない正弦及び余弦の領域が、領域２０３ａ、２０３ｂ間の空間に対応するゼロ値領域によって離間されるように、生成される。デジタル的に生成された正弦及び余弦の表現と基準パターンの画像との正しい整列を決定するために、ＤＦＴは、基準パターンの画像に対する異なる位置Ｓに配置された正弦及び余弦の表現を使用して決定される。ＤＦＴの大きさは、各領域について決定され、すべての領域ついての大きさが平均化される。ＤＦＴの平均振幅が最大となる正弦および余弦の表現の位置が、画像３０２の基準パターン３５１の位置に最もよく一致する位置Ｓrefであるとみなされる。
【００５１】
基本の正弦曲線に対する、領域の中心に対応する位置（ｘ、ｙ）によって表示される、各領域における基準パターンの位相ΦＸref、ΦＹrefが、ＤＦＴから求められ、領域の基準位相を特定する（３０５）。ｘ方向に繰り返えされる特徴部を有するパターンを有している領域については、ｘ方向の位相シフトΦＸrefが決定され、ｙ方向に繰り返えされる特徴部を有するパターンを有している領域については、位相シフトΦＹrefが決定される。位相シフトは、画像に正弦および余弦の表現を乗算することによって得られる２つの値の商の逆正接関数（ａｒｃｔａｎ）から決定される。
【００５２】
次いで、基準のアーチファクト３５０が積層造形製造装置から除去され、そして、例えば、構築チャンバ１１７において反復可能な位置に配置可能である、図７および図８の固定具４００を使用して、作業平面内に配置されるアルミニウムプレート２５０に置き換えられる（３０６）。テストパターン２５１は、その後、レーザービーム１１８とスキャナ１０６を用いて、アルミニウムプレート２５０上にマーキングされる。テストパターン２５１の画像３０７が取り込まれる（３０８）。
【００５３】
テストパターン２５１の画像３０８の離散フーリエ変換が、基準周波数ｋrefで決定され（３０７）、各領域２０３ａ、２０３ｂにおける基本の正弦曲線からのテストパターン２５１の位相ΦＸtst、ΦＹtstが決定される（３０９）。
【００５４】
各領域２０３ａ、２０３ｂに対する基準パターン３５１からのテストパターン２５１の位相シフトΦＸerror、ΦＹerrorが決定される（３１０）。当技術分野で知られている、スキャナ１０６の数学的モデルが、次いで、スキャナ１０６のステアリング光学系１０６ａの制御を修正する、較正テーブルの値に関しての補正データを決定する（３１１）べく、各領域２０３ａ、２０３ｂについて決定された位相シフトΦＸerror、ΦＹerrorに適合される。
【００５５】
このような方法では、画素の１／１００の解像度に、測定精度を提供することが可能である。したがって、各画素が、１５０μｍの、作業平面での空間分解能を有する場合、本方法は、１または２μｍの測定精度を提供することができる。
【００５６】
図５および図６を参照するに、スキャナ１０６の焦点合わせ光学系は、作業平面内に配置されたアルミニウムシートに、図２に示されるようなテストパターン２５１を形成することによって較正され、そこでスキャナ１０６は、領域のパターンの各ラインに対して、レーザービームの焦点を、例えば、作業平面の下方の−１０ｍｍから作業平面の上方の＋１０ｍｍまで変えるべく制御される。これにより、アルミニウムシートに、図５に示されるようなパターンをもたらすことができる。
【００５７】
パターンの画像内の強度は、より厚い光ラインが、レーザービームが作業平面１１０に集束されていないパターンの縁部において形成され、レーザービームが作業平面１１０に集束されているパターンの中央部において、より薄い光ラインへ、図６のグラフＡに示されるように変化してもよい。パターンの各期間にわたる総強度は、合計されてグラフＢを生成する。レーザービームの焦点が、作業平面上において、焦点外から焦点内に移動されるにつれて、パターンの一期間の総強度は、ラインの厚さが減少するにつれ減少する。合計された強度に曲線を当て嵌めることが、スキャナ１０６の焦点合わせの光学系１０６ｂの制御を補正するべく用いられてもよい。
【００５８】
較正アーチファクト３５０およびアルミニウムプレート２５０を取り付けるための固定具４００が、図７および図８に示されている。固定具は、較正アーチファクト／アルミニウムプレートを支持するための支持体４０１と、支持体４０１を構築チャンバ１１７内の定位置に取り付けるためのウィング４０２、４０３とを備えている。ウィング４０２、４０３は、固定具４００が積層造形製造装置に配置されているときに、ウィング４０２、４０３が支持体４０１の上方および側部に配置されるように、支持体４０１の支持面に対してオフセットされている。ウィング４０２、４０３は、固定具４００を操作するためのハンドル４０４、４０５と、固定具４００によって支持される較正アーチファクト／アルミニウムプレートを、構築チャンバ１１７内の反復可能な垂直位置に、運動学的に配置するための取り付け要素４０６、４０７、４０８とを備えている。この実施形態では、要素４０６、４０７および４０８は、３つの離間された位置で、表面１１５ａに接触するための点表面を提供する３つのボールを備えている。
【００５９】
固定具４００は、支持体４０１を、ｘおよびｙ方向の固定位置に配置するための２つのさらなる位置決め用の要素４０９および４１０を備えている。要素４０９および４１０は、それぞれ、支持体４０１の凹部内に取り付けられ、且つ支持体４０１から外向きにばね（図示せず）によって付勢されたボールを備えており、その結果、支持体を構築チャンバ１１７に挿入するとき、ボールは、構築チャンバ１１７の壁に係合し、そして、固定具４００を定位置に保持する、ばねの付勢に抗して偏向される。
【００６０】
較正アーチファクト３５０およびアルミニウムプレート２５０の両者は、支持体４０１に取り付けるのに適した形状を有している。
【００６１】
この方法は、ワイパー１０９が作業平面１１０に粉末層を形成するように、ワイパー１０９の下縁部を、固定具４００、したがって、較正アーチファクト３５０の整列のために使用される表面１１５ａと整列させることを、さらに備えていてもよい。ワイパー１０９と表面１１５ａとの位置合わせは、既知の方法を用いて行われてもよい。ワイパー１０９の位置合わせと較正アーチファクト３５０の位置決めのために、同じ基準を使用することは、スキャナ１０６が較正されるために、粉末層が作業平面と整列されることを保証する。構築プラットフォーム１０２のような可動の表面ではなく、むしろ基準のために固定の表面１１５ａを選択することによって、構築プラットフォーム１０２のような可動の表面の位置決めにおける再現性の欠如／不正確性から、整列誤差が生じないことを保証している。
【００６２】
基準パターン３５１のｘ方向及びｙ方向における位置は、未知であり得るので、構築チャンバ１１７によって画定される構築容積に対するｘ方向及びｙ方向におけるスキャナ１０６のｘ、ｙ座標系の絶対位置は、未知であるかもしれない。しかしながら、本方法は、スキャナ１０６の座標系における歪みを補正するためにスキャナ１０６を較正する。したがって、上述の較正方法は、積層造形製造装置における基準パターン３５１の位置に基づいてスキャナ１０６を較正する。
【００６３】
上述したような較正方法は、マルチレーザーの積層造形製造装置において、各スキャナを較正するために使用されるかもしれない。各スキャナは、１つまたは複数のテストプレート上のパターンと、スキャナを較正するために使用される基準パターンに対する各スキャナによって形成されるパターンにおける位相シフトをマークするために使用されるかもしれない。
【００６４】
スキャナ１０６の座標系の位置は、積層造形的に構築されたワークピースが、非積層造形的に構築された特徴部と、例えば、基板５０１上で位置合わせされる場合、十分な精度で知られていないことがある。例えば、部品の第１の部分が予め形成された基板を含み、部品の第２の部分が積層造形的に構築されるハイブリッド積層造形部品を構築することは知られている。このようなハイブリッド積層造形部品の一例は、積層造形的プロセスを用いて鋳型インサートの残りの部分を構築する前に、冷却液チャンネルが基板に機械加工される鋳型インサートである。鋳型インサートは、基板内の冷却液チャンネルに接続する等角な冷却チャンネルを備えて形成されている。そのようなワークピースは、特許文献６（ＵＳ７２６１５５０）に記載されている。
【００６５】
積層造形的に構築されるワークピースが構築される基板が、積層造形的に構築されるワークピースに位置合わせされるべき特徴部を備えて予め機械加工されるプロセスにおいては、機械加工される特徴部の位置が、所望の整列が達成され得るように、スキャナ１０６の座標系において既知であることが重要である。
【００６６】
図９に示されるような本発明の一実施形態によれば、ハイブリッドワークピースを形成する方法は、ハイブリッドワークピースの一部を形成するが、予め形成された特徴部を有していない構築基板５０１を、積層造形製造装置の構築プラットフォーム１０２に配置することを備えてもよい。構築基板５０１および構築プラットフォーム１０２は、例えば、特許文献８（ＷＯ２０１５  ／  ０９２４４２）に記載されているように、構築基板５０１を、構築プラットフォーム１０２上の反復可能な位置に、運動学的に（ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）配置するための取り付け構成を備えていてもよい。
【００６７】
レーザー１０５および較正されたスキャナ１０６は、特徴部５０６が予め形成されるべき構築基板５０１上の配置を確認（識別）するために使用され得る構築基板５０１上のしるし５０７をマークする（５０２）べく、制御される。例えば、予め形成される冷却チャンネルの場合、構築基板５０１の頂表面におけるチャンネルの開口の配置は、５０７ａとマークされ得る。さらなる実施形態では、形成されるべき特徴部の形状に対応するしるし５０７ａでもって構築基板５０１にマーキングするのではなく、むしろ、特徴部５０６を形成するために使用される工作機械によって確認（識別）され、且つ、工作機械５１０の座標系をスキャナ１０６の座標系に調整するべく使用される、しるし５０７ｂが形成されてもよい。しるし５０７ｂは、カメラ５９１を用いた位置の認識および決定の容易さのために、選択されてもよい。例えば、しるし５０７ｂは、図２を参照して説明されたパターンと同様のパターンを備えていてもよく、パターンの位置は、構築基板５０１上にレーザービーム１１８で形成されるパターンの位相を決定することによって解決される。
【００６８】
構築基板５０１は、次いで、積層造形製造装置から取り外され、そして、特徴部５０６の形成のために工作機械５１０に取り付けられる。特徴部５０６は、構築基板５０１上のしるし５０７の位置に基づいて、構築基板５０１内の配置に工作機械によって形成される（５０３）。例えば、構築基板５０１のしるしの配置は、工作機械５１０に取り付けられたビデオプローブなどのカメラ５９１を使用して確認（識別）されてもよい。機械加工されるべき特徴部５０６に対するしるし５０７の位置は既知であり、工作機械５１０は、特徴部の構成をそのしるしに整列させるために、その座標系または工作機械の命令を調整してもよい。この例では、特徴部５０６は、基板５０１に形成されたチャンネルである。
【００６９】
基板５０１は、その後、構築プラットフォーム１０２に再取り付けされ、運動学的取り付け要素が、構築基板５０１がしるし５０７でマークされたときの位置と同じ位置に取り付けられるのを保証する。ハイブリッドワークピースの積層造形的に構築される部分５０５は、次に、積層造形製造装置を使用して構築される（５０４）。予め形成された特徴部５０６と積層造形的に構築される部分５０５との整列は、後続の積層造形的に構築される部分５０５を形成するために使用される、較正されたスキャナ１０６によって形成されているしるしの結果として保証される。
【００７０】
別の実施形態では、しるし５０７は工作機械５１０を使用して形成され、そして、構築基板５０１上のしるしの配置は、積層造形製造装置に取り付けられたビデオプローブなどのカメラ５９１を使用して確認（識別）されてもよい。一旦、積層造形製造装置がしるしの位置を検出すると、積層造形製造装置は、  しるしの位置に基づく位置に部分５０５を構築してもよい。機械加工された特徴部５０６は、しるしに対して特定された位置に構築され、且つ積層造形的に構築される部分５０５が、しるしに対して特定された位置に構築されるので、機械加工された特徴部５０６と積層造形的に構築される部分５０５の相対位置もまた正しい。カメラによって認識されるようには特別に構築されていないので、必要とされる精度で検出することが困難である、機械加工された特徴部５０６を検出することは必要とされない。
【００７１】
本明細書で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に対する変更および改変がなされ得ることが理解されるであろう。例えば、パターンは、ｘ方向およびｙ方向の補正データ（位相）が計算される別々の領域２０３ａ、２０３ｂを備えなくてもよいが、両直交方向について周期成分が計算され得る単一の領域を備えてもよい。
【図１】
2019510658.tif 000003
【図２】
2019510658.tif 000004
【図３】
2019510658.tif 000005
【図４】
2019510658.tif 000006
【図５】
2019510658.tif 000007
【図６】
2019510658.tif 000008
【図７】
2019510658.tif 000009
【図８】
2019510658.tif 000010
【図９】
2019510658.tif 000011
【国際調査報告】
2019510658.tif 000012
2019510658.tif 000013
2019510658.tif 000014
2019510658.tif 000015
2019510658.tif 000016